Antenna Magus: Der Schlüssel zu effizientem Antennendesign mit CST Studio Suite

Im modernen Antennendesign stehen Ingenieuren zahlreiche Tools zur Verfügung – doch nur wenige vereinen Flexibilität und Benutzerfreundlichkeit so effektiv wie Antenna Magus. Die Software ermöglicht es, Spezifikationen wie Frequenz, Gewinn und Bandbreite präzise einzugeben und daraus optimale Designparameter zu generieren. Entwickler können die Abmessungen und Eigenschaften der Antennen individuell anpassen, was besonders bei Anwendungen wie Hornantennen für Millimeterwellenkommunikation von großem Vorteil ist.

Antenna Magus wird in unterschiedlichsten Bereichen genutzt, darunter:

• Telekommunikation (z. B. 5G, Wi-Fi)
• Luft- und Raumfahrt (Radar, Satellitenkommunikation)
• Automobilindustrie (ADAS-Systeme)
• Akademische Forschung

Besonders beeindruckend ist die erhebliche Zeitersparnis, die durch Antenna Magus erzielt wird: Entwickler können auf bewährte Designs zurückgreifen, diese flexibel anpassen und mühelos in die CST Studio Suite exportieren. Dort lassen sich fortgeschrittene Analysen und Optimierungen durchführen, wie etwa Impedanzanpassung, Strahlungsmuster oder Effizienz.

Effizienz trifft Innovation

Die nahtlose Integration von Antenna Magus mit CST Studio Suite macht den gesamten Entwicklungsprozess effizienter und reduziert die Entwicklungszeit signifikant. Dies wird anhand eines Beispiels verdeutlicht, bei dem eine in Antenna Magus entworfene Hornantenne für moderne Kommunikationssysteme entwickelt und optimiert wird.

Pin-Fed Hornantenne Design mit Antenna Magus

Zunächst entwerfen wir eine pin-fed pyramidal Hornantenne mit Antenna Magus. Hornantennen werden oft aufgrund ihrer hohen Richtwirkung, ihres einfachen Designs und ihrer Effizienz in der Übertragung und Empfang von elektromagnetischen Wellen verwendet. Besonders bei Anwendungen im Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich bieten sie Vorteile, wie einen sehr hohen Gewinn und eine fokussierte Strahlungscharakteristik. Die Simulation solcher Antennen ermöglicht es, wichtige Parameter wie Strahlungsmuster, Impedanzanpassung und Effizienz präzise zu optimieren. Hornantennen finden breite Anwendung in Bereichen Satellitenkommunikation, Radar und drahtlose Kommunikationssysteme. Sie werden typischerweise in Frequenzbereichen von einigen Gigahertz bis hin zu Hunderten von Gigahertz eingesetzt.

Die Richtwirkung D einer rechteckigen Hornantenne, wie sie in Balanis angegeben ist, lautet:

Wobei die A Aperturfläche und λ die Wellenlänge sind. Diese Formel ist spezifisch für pyramidenförmige Hornantennen, wobei der Koeffizient 7.5 aus empirischen Analysen basierend auf der Geometrie und dem Strahlungsmuster der Antenne stammt.

Wir entwickeln eine Hornantenne mit einer Zentralfrequenz von 100 GHz, einer Bandbreite von 10 % und einem Gewinn von 20 dBi. Der Antennengewinn beschreibt, wie effektiv eine Antenne ein Signal in eine bestimmte Richtung bündelt, verglichen mit einer idealen isotropen Antenne.

In Antenna Magus können diese Spezifikationen einfach unter „Frequency Band/s“ und „Radiation Pattern“ eingegeben werden, wie in Abbildung 1 dargestellt. Um gezielt Hornantennen zu entwerfen, geben wir „Horn“ in das „Keyword“-Fenster ein, wodurch nur passende Hornantennen als Optionen angezeigt werden.

Abbildung 1. Eintragen der gewünschten Antenneneigenschaften in Antenna Magus

Anschließend navigieren wir zur Antenna Database von Antenna Magus und wählen dort den Antennentyp „Pin-Fed Hornantenne“ aus. Wir überprüfen die verfügbaren Modelle und entscheiden uns für ein Modell, das zu 98 % unseren Anforderungen entspricht. Somit starten wir mit einem Design, das sehr gut an unsere Spezifikationen angepasst ist.
Im neuen Fenster geben wir „Port Impedance“ mit 50 Ω an. Danach, wie in Abbildung 2 gezeigt, drücken wir den Knopf ‚Design‘.

Abbildung 2: Eintragen der „Port Impedance“ und Design starten

Nach sehr kurzer Zeit, ohne eine 3D-Simulation, sind die Antennenparameter, wie in Abbildung 3 gezeigt, berechnet und unter ‚Parameters‘ verfügbar.

Abbildung 3: Die berechneten geometrischen Antennenparameter

Die Breite der Apertur und die Höhe der Apertur betragen Wa=13.38 mm bzw. Ha= 10.45 mm, daher beträgt die Fläche der Apertur 139.82 mm². Gemäß Gleichung 1. von Balanis liegt der Gewinn für eine Hornantenne mit einer Fläche von 139.82 mm² bei 20.66 dBi, was in guter Übereinstimmung mit dem gewünschten Gewinn steht.

Im finalen Schritt drücken wir den Knopf „Estimate Performance“, wie in Abbildung 4 gezeigt, und nach weniger als 2 Minuten ist das Design abgeschlossen.

Abbildung 4. „Estimate Performance“ für Berechnung der elektromagnetischen Antenneneigenschaften

Alle Antenneneigenschaften, wie Impedanz sowie die 2D- und 3D-Fernfeldkurven, sind unter „Estimated Performance“ verfügbar. Als Beispiel zeigt Abbildung 5 die Widerstands- und Gewinnkurve in Abhängigkeit von der Frequenz. Wie geplant, liegen bei 100 GHz der Widerstand bei 50 Ω und der Gewinn bei 20 dBi.

Abbildung 5. Die Widerstands- und Gewinnkurve der Hornantenne in Abhängigkeit von der Frequenz

Pin-Fed Hornantenne Optimierung mit CST

Nach dem ersten Design mit Antenna Magus können wir das Modell in die CST Studio Suite übertragen, um in einer vollständigen 3D-elektromagnetische Simulation unser Design zu überprüfen und weiter zu verfeinern. Wie Abbildung 6 gezeigt, wählen wir Im Ribbon von Antenna Magus „Model Export“, dann „Model“. Wir benennen die Datei und speichern sie im .cst-Format.

Abbildung 6. Export des ersten Designs von Antenna Magus in die CST Studio Suite

Die gespeicherte CST-Datei ist ein vollständig parametrisiertes 3D-Modell, das direkt für eine elektromagnetische Simulation bereit ist. Abbildung 7 zeigt das Modell der Hornantenne mit definierten Parametern. Auf Wunsch können die Einstellungen des Lösers oder die geometrischen Parameter geändert werden. Für die erste 3D-Simulation werden alle Werte beibehalten, und es wird eine Zeitbereich-Simulation durchgeführt.

Abbildung 7. Das Modell der Hornantenne in CST Studio Suite

Die Simulationszeit mit CST Studio Suite beträgt etwas mehr als eine halbe Stunde, da hier eine vollständige 3D-Simulation durchgeführt wird. Abbildung 8 zeigt das 3D-Fernfeld der Hornantenne bei 100 GHz mit 20 dBi Gewinn.

Abbildung 8. 3D-Fernfeld der Hornantenne bei 100 GHz mit 20 dBi Gewinn

Der Gewinn einer Antenne beschreibt die Fähigkeit der Antenne, Funkenergie in eine bestimmte Richtung zu strahlen oder zu empfangen, im Vergleich zu einem idealen isotropen Strahler. Dieser Wert ist eine theoretische Größe und wird meist ohne Berücksichtigung von Verlusten angegeben.

Der realized Gain (realistischer oder realisierter Gewinn) hingegen berücksichtigt zusätzlich Verluste, die in der Antenne auftreten, wie z.B. durch Reflexionen, Kabelverluste oder Mismatch-Verluste zwischen der Antenne und dem angeschlossenen System. Diese Verluste reduzieren die Effizienz der Antenne, wodurch der realized Gain immer geringer oder gleich dem theoretischen Gewinn ist. Bei dieser Pin-Fed-Hornantenne ist der realisierte Gewinn mehr als 3 dB geringer als der theoretische Gewinn, da Reflexionen und ein Mismatch durch eine nicht optimale Anpassung der Verbindung zwischen Pin und Hohlleiter den Gewinn verringern. Abbildung 9 zeigt den realisierten Gewinn der Hornantenne.

Abbildung 9. Der realisierte Gewinn der Hornantenne

CST Studio Suite bietet die Möglichkeit, die Antenne durch eine 3D-Simulation präziser zu modellieren. Doch das ist nicht alles: Die Antenne kann auch hinsichtlich kritischer Eigenschaften wie Impedanz, Reflexion und realisiertem Gewinn optimiert werden. Die optimale Position des Pins kann durch Optimierung ermittelt werden, um eine geringere Reflexion und einen größeren realisierten Gewinn zu erzielen. Die Entwicklung der Hornantenne wurde durch eine 3D-Simulation mit der CST Studio Suite optimiert. Dabei wurden die Höhe und Position des Pins angepasst, um die zuvor nicht optimale Impedanzanpassung zu verbessern. Diese Änderungen führten zu einer Reduzierung der Reflexionen am Pin-Port. In Abbildung 10 wird der S11, Reflexionsfaktor, am Pin-Port sowohl für das ursprüngliche Design als auch für die optimierte Version dargestellt. Im optimierten Design konnte die Reflexion bei 10 GHz um ca. 14.7 dB verringert werden.

Abbildung 10. S11 am Pin-Port für das ursprüngliche und das optimierte Design der Hornantenne bei 10 GHz

Nach der Optimierung hat sich der realisierte Gewinn der Antenne auf etwa 20 dBi erhöht. Abbildung 11 zeigt einen Vergleich des realisierten Gewinns der Hornantenne vor und nach der Anpassung und verdeutlicht die Verbesserungen durch die Optimierungen.

Abbildung 11. Vergleich des realisierten Gewinns der Hornantenne zwischen dem ursprünglichen und dem optimierten Design

Nach unserer Erfahrung

In diesem Blog haben wir gezeigt, wie sich mit Antenna Magus eine Hornantenne schnell und präzise nach den gewünschten Parametern entwerfen lässt. Das Design wurde anschließend in die CST Studio Suite importiert, um durch detaillierte 3D-Simulationen eine weitere Optimierung der Antenne zu erreichen.

Die Kombination aus Antenna Magus und CST Studio Suite bietet entscheidende Vorteile: eine schnelle Entwicklungszeit, verkürzte Simulationsphasen und ein effizientes Designverfahren, das eine flexible Anpassung und Optimierung der Antennenparameter ermöglicht. Dieser Ansatz setzt neue Maßstäbe in der Antennenentwicklung – von der Konzeption bis zur finalen Optimierung.